Le potentiel du quantum : de la recherche au grand public
Le quantum ouvre la voie à des avancées considérables dans de nombreux domaines mais il faudra surmonter divers défis techniques pour généraliser cette technologie.
L'informatique quantique promet d’offrir des performances exceptionnelles en matière de puissance de calcul. La possibilité de traiter beaucoup plus d'informations ouvre la voie à des avancées considérables dans de nombreux domaines, bien au-delà de ce que nous pouvons imaginer avec des ordinateurs classiques. Alors, quelles sont les possibilités offertes par l’informatique quantique et quels sont les principaux freins au développement de cette technologie ?
La course à l'informatique quantique est lancée : les grandes nations veulent absolument faire partie des pionniers de cette technologie révolutionnaire. La France n’est pas en reste avec quelques acteurs de premier plan comme la start-up Alice & Bob ou encore le CEA-leti pour ne citer qu’eux. Cette volonté d’être en tête de peloton s’explique facilement : de nombreuses applications (dont certaines sont encore inconnues aujourd’hui) pourraient voir le jour avec des ordinateurs quantiques.
Ces ordinateurs pourraient être capables de résoudre des problèmes d'optimisation complexes beaucoup plus rapidement et nous permettraient de résoudre des tâches totalement hors de portée aujourd'hui, en raison des capacités de traitement phénoménales requises.
Il sera notamment possible d’effectuer des calculs auparavant irréalisables comme ceux relatifs au processus de formation des protéines ou à la prédiction du comportement complexe des systèmes financiers.
Simuler, modéliser et sécuriser
La simulation quantique peut être utilisée dans la recherche et la modélisation pharmaceutique / chimique pour aider à mieux comprendre comment les molécules et les protéines se forment, ce qui permettra de réaliser des percées dans les domaines de la chimie et de la biologie et de découvrir de nouveaux traitements.
Les communications quantiques promettent de garantir des transmissions sécurisées et une intrication distribuée : bien qu'elles ressemblent beaucoup à leurs homologues classiques pour les communications par fibre optique, les communications quantiques ont des exigences de performance plus strictes et sont plus sensibles aux effets environnementaux. La création de répéteurs quantiques sécurisés constitue donc un défi majeur, avant que nous puissions mettre en œuvre des réseaux quantiques utilisables dans notre vie quotidienne.
La capacité à distribuer l'intrication contribuera à améliorer nos capacités de calcul et de détection en nous permettant de créer des réseaux de capteurs et d'ordinateurs quantiques : à l'instar des grappes de serveurs pour la répartition des calculs, il serait possible de créer des grappes de QPU (unité de traitement quantique) pour le calcul quantique.
Dans le domaine de la cybersécurité, un ordinateur quantique puissant aurait le potentiel de briser les protocoles de chiffrement existants qui reposent sur la factorisation de grands nombres, tels que les protocoles basés sur le chiffrement RSA. À l'heure actuelle, il n'existe aucun ordinateur classique ou algorithme capable de le faire dans un délai raisonnable. Il est donc possible de développer des types de chiffrement entièrement nouveaux pour assurer la sécurité des informations. Dans la mesure où la force d'un ordinateur quantique réside dans le traitement des big data, qui regorgent d’informations sur la vie privée, l'un des grands défis à relever consiste à créer des protocoles de sécurité qui soient sûrs à la fois pour les ordinateurs classiques et quantiques.
D’une technologie de niche à un produit grand public
La sensibilité exceptionnelle des systèmes quantiques à leur environnement les rend particulièrement performants pour le calcul, mais ils sont également difficiles à contrôler avec un haut degré de précision. Pour cette raison, les ordinateurs quantiques sont encore très petits (ils ne sont constitués que de dizaines de bits quantiques ou qubits - les ordinateurs classiques ont des centaines de millions de bits), et les calculs réalisables avec ces petits systèmes sont souvent imprécis.
Pour faire passer l'informatique quantique de son statut de technologie de niche à celui de technologie grand public, nous devons apprendre à mieux isoler les systèmes quantiques de leur environnement et à les contrôler avec un degré de précision bien plus élevé. Il est nécessaire de réduire les erreurs observées dans les calculs quantiques, puis développer des systèmes de centaines de millions de qubits.
L'innovation dans le matériel et les logiciels de calcul quantique permettra de surmonter le problème des erreurs dans les calculs. Il reste encore beaucoup à faire pour comprendre les causes des erreurs qui se produisent dans les systèmes quantiques et pour construire du matériel plus fiable. Parallèlement, il sera nécessaire de développer des logiciels et d'améliorer la mise en œuvre de certains algorithmes, car nous atteignons les limites physiques des capacités de fabrication des puces.
Outre les technologies d'informatique quantique de pointe, il existe plusieurs propositions très attendues de nouveaux types hardware quantique, tels que les ordinateurs quantiques photoniques ou les ordinateurs quantiques basés sur des atomes neutres. Les chercheurs travaillent également d'arrache-pied à la mise au point d'algorithmes susceptibles d'accroître les performances des ordinateurs quantiques actuels, bruyants et de taille intermédiaire afin de réaliser plus rapidement des percées en matière d'informatique quantique.
Compte tenu des efforts considérables déployés dans le monde entier par des start-up de l'informatique quantique et des géants de l'industrie tels qu'IBM et Google, les recettes potentielles générées par l'informatique quantique sont complémentaires de celles d'autres technologies de rupture telles que la 5G, l'IA / l'apprentissage automatique, le cloud (etc.) et laissent entrevoir des perspectives de progrès dans de nombreux domaines de l'industrie et de la recherche.
Si les efforts de recherche et de développement continuent d'être fructueux, nous pourrions envisager une mise en œuvre de l'informatique quantique dans la prochaine décennie. À condition de résoudre le problème des erreurs dans l'informatique quantique. Dans le cas contraire, il faudra peut-être recentrer les efforts de recherche sur des objectifs plus modestes, comme la construction de simulateurs quantiques permettant de résoudre des problèmes plus ciblés, plutôt que sur la construction d'ordinateurs quantiques à usage général.
Cependant, dès que la technologie sera viable, sa mise en œuvre sera une réussite et elle générera des revenus considérables pour tous les secteurs qui investiront dans cette technologie.